Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia
Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações
Jéssica Avelino Rocha
Estudo da WRAN utilizando a faixa de TV White Space através de Rádios Cognitivos Niterói – RJ
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro de Telecomunicações.
Orientador: Prof. Dr. Pedro V Gonzalez Castellanos
Niterói – RJ
Jéssica Avelino Rocha
Estudo da WRAN utilizando a faixa de TV White Space através de Rádios Cognitivos
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro de Telecomunicações.
Aprovada em 09 de Julho de 2019
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos (Orientador) UFF – Universidade Federal Fluminense
Prof. Dra. Vanessa Przyblski Ribeiro Magri Souza UFF – Universidade Federal Fluminense
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira UFF – Universidade Federal Fluminense
Resumo
Com a digitalização do sistema de televisão, um dos grandes benefícios deste processo foi o melhor uso do espectro destinado a este serviço. A partir desta premissa foi observado que alguns canais pertencentes ao espectro de TV estavam sem uso o que alertou os pesquisadores da possibilidade de utilização destes canais por outro tipo de serviço com o de acesso de dados em banda larga. Este trabalho apresenta uma abordagem das características da rede Wireless Regional Area Network (WRAN). Particularmente, será analisado o padrão IEEE 802.22, conhecido como WRAN. Esse padrão foi primeiro registrado em 2011 pela IEEE, o Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos, para melhor aproveitamento do espectro, visto a alta demanda de usuários. O padrão utiliza Rádios Cognitivos que operam na banda de UHF/VHF destinada à TV. Os RCs utilizam espaços em branco da faixa, conhecidos como TVWS, para transmissão do sinal, visando a não interferência nos sinais de usuários licenciados.
Palavras-chave: IEEE 802.22, WRAN, TVWS, TV White Space, Rádios Cognitivos, espaço branco.
Abstract
With the digitalization of the television system, one of the greatest benefits of this process was the best use of the spectrum destined to this service. From this premise it was observed that some channels belonging to the TV spectrum were unused, which alerted the researchers to the possibility of using these channels by another type of services with the broadband data access. This paper presents an approach to the characteristics of the Wireless Regional Area Network (WRAN). In particular, the IEEE 802.22 standard, known as WRAN, will be analyzed. This standard was first released in 2011 by IEEE, the Institute of Electrical and Electronics Engineers, with the purpose of a better use of the spectrum, given the high demand of users. The standard uses Cognitive Radios that operates in UHF/VHF range destined for TV. The CRs use white spaces, known as TVWS, for signal transmission, aiming a non-interference operation at the licensed user signals.
Keywords: IEEE 802.22, WRAN, TV White Space, TVWS, Cognitive Radio, white space.
À Deus, que me fortaleceu durante toda essa jornada, e à minha família e esposo que acreditaram em mim, quando eu
Agradecimentos
Não poderia começar os agradecimentos de outra forma, senão agradecendo ao meu Pai de amor, que cuidou e cuida de mim. À Deus que sempre me impulsionou a dar o meu melhor e acreditar que com Ele eu posso todas as coisas, porque Ele me fortalece.
Agradeço aos meus pais e irmão, que oraram por mim e se importaram comigo nos momentos de estresse e pressão. Que olhavam em mim alguém capaz de alcançar qualquer coisa que colocasse em meu coração de conquistar, mesmo nos dias que eu mesma me esquecia que eu era capaz. Ao meu pai e minha mãe por não medirem esforços para que meus estudos fossem possíveis, mesmo tão longe de casa.
Ao meu esposo que sempre esteve ao meu lado, desde o início. A ele que passou comigo pelas alegrias e tristezas que a vida universitária nos proporcionou. Agradeço por seu amor e cuidado nos dias de desânimo e pelo seu apoio principalmente durante a fase final. Não poderia escolher um melhor parceiro pra vida toda.
Aos amigos, professores, familiares e igreja, que ajudaram a forjar quem eu sou hoje. Sem a paciência, dedicação e amor de vocês, nada disso seria possível.
Lista de ilustrações
Figura 1: Crescimento da demanda de tráfego de dados móveis. ... 13
Figura 2: Crescimento da demanda de tráfego de dados do 4G. ... 13
Figura 3: Mapa de medição em Icaraí. ... 21
Figura 4:Alocação de canais definido pela ANATEL para a faixa medida. ... 21
Figura 5: Canais classificadoss como ocupados através de dados medidos e utilizando como critério o limiar de detecção, no ponto 9. ... 22
Figura 6: Ciclo de Cognição. ... 34
Figura 7: Comparação do sistema cognitivo natural e artificial. ... 35
Figura 8: Arquitetura tradicional de rádio existente. ... 38
Figura 9: Mesmo rádio, porém definido por software ideal. ... 38
Figura 10: Rede primária e Rede de Rádio Cognitivo coexistindo. ... 41
Figura 11: Redes Interweave, overlay e underlay dos rádios cognitivos. ... 43
Figura 12: Subdivisão das classes e padrões das redes sem fio e suas características. ... 50
Figura 13: Exemplo de configuração de implantação. ... 52
Figura 14: Modulação OFDMA utilizada na WRAN... 54
Figura 15: Prefixo Cíclico. ... 55
Figura 16: Diagrama simplificado do esquema de channel bonding para WRAN. Primeira com utilização de 1 canal, segunda com 2 canais e terceira com 3 canais. ... 56
Figura 17: Estrutura geral do Superquadro. ... 58
Figura 18: Exemplo de Time Division Multiplexing. ... 59
Figura 19: Estrutura geral de um Frame. ... 59
Figura 20: As duas etapas do mecanismo do período de silêncio: Fast sensing e Fine sensing... 61
Lista de Tabelas
Tabela 1: Pesquisa a respeito das razões da não utilização da internet em
domicílio em 2016. ... 15
Tabela 2: Canais da faixa de UHF. ... 19
Tabela 3: Range de Frequência em TVWS em diferentes regulamentos. ... 29
Tabela 4: Número de canais disponíveis em diferentes regulamentos. ... 29
Tabela 5: Largura de banda de canais em TVWS em diferentes regulamentos. 30 Tabela 6: Tipo de dispositivos em diferentes regulamentos. ... 30
Tabela 7: Item 28 da Agenda Regulatória da Anatel para o biênio 2019-2020 .. 31
Sumário
Resumo Abstract Lista de Ilustrações Lista de Tabelas 1. INTRODUÇÃO ... 122. CONCEITO DE TV WHITE SPACE ... 18
2.1. Regulamentação do TVWS no mundo ... 22 2.1.1 América do Norte ... 23 2.1.2 Europa ... 25 2.1.3 Ásia Pacífico ... 27 3. RÁDIOS COGNITIVOS ... 32 2.1. Ciclo de Cognição ... 34 2.2. SDR – Software-Defined Radio ... 37
2.3. Redes de Rádios Cognitivos ... 39
4. TECNOLOGIAS QUE PODEM SER USADAS NO TVWS ... 44
4.1. IEEE 802.11af ... 44
4.2. IEEE 802.15.4m ... 45
4.3. IEEE 802.19.1 ... 46
4.4. IEEE DYSPAN SC P1900.7 ... 47
4.5. IEEE 802.22 ... 47
5. WRAN – WIRELESS REGIONAL AREA NETWORK OU REDE REGIONAL SEM FIO... 49
5.1. Topologia do sistema ... 51
5.2. Capacidade do Sistema ... 52
5.2. Área de Cobertura ... 53
5.3. Camada Física (PHY) ... 53
5.4. Camada de Enlace (MAC) ... 56
5.4.1. Sensoriamento Espectral ... 60
5.4.2. Geolocalização ... 62
6. CONCLUSÃO ... 63
1. INTRODUÇÃO
As Telecomunicações surgiram como forma de prover facilidade em nossa comunicação de forma eficiente. Ela teve início com a invenção do telefone em 1875 por Alexander Graham Bell. Quatro anos depois, o americano Charles Paul Mackie consegue a primeira concessão para estabelecer essa rede em terras brasileiras. A história se iniciou com o aparelho telefônico de Bell e nunca mais parou desde então.
A evolução foi massiva: telefonia fixa, móvel, televisão, Internet discada, banda larga, dados móveis, vários serviços e possibilidades começaram a serem disponibilizados para o usuário. A facilidade de poder se comunicar a distância por áudio, vídeo, mensagens, a facilidade de estar a um clique de distância de informações, de ligar a TV e saber o que acontece no outro lado do mundo. Tudo isso nos abriu um universo de conhecimento, entretenimento e interação.
Porém toda essa evolução teve um impacto gigantesco nas Telecomunicações. A necessidade de estar conectado cresce cada vez mais, usuários aumentam, a demanda por rapidez, qualidade e serviços são reais.
Um estudo global foi realizado pela Visual Network Index (VNI) Mobile a respeito das projeções de crescimento mundial do tráfego móvel, incluindo tráfego de vídeo, conexões por dispositivos móveis, demanda por redes WiFi, conexões máquina-a-máquina, entre outras. Como podemos ver na Figura 1 e 2 [27], o estudo revela que em 2021 teremos um tráfego 7 vezes maior do que tínhamos em 2016, um fluxo que girará em torno de 49 exabytes por mês.
Fonte: Cisco VNI Mobile Data Traffic Forecast, 2016-2021.
Figura 2: Crescimento da demanda de tráfego de dados do 4G.
De acordo com o site CIO - Estratégias de negócios de TI para líderes corporativos sobre o estudo “... até 2021, a população global terá mais telefones celulares (5,5 bilhões) do que contas bancárias (5,4 bilhões), água canalizada (5,3 bilhões) e telefones fixos (2,9 bilhões)”. Na figura 2, podemos ver o aumento dos usuários de dispositivos móveis, além do aumento de 4 bilhões de conexões móveis. Esse aumento na demanda da banda larga sem fio veio acompanhada com a escassez no espectro, resultante da política de alocação fixa adotada pelos órgãos regulatórios. Essa alocação fixa, apesar de necessária, dificulta pesquisas e surgimento de novas tecnologias na tentativa de sanar essa demanda. Assim, o recurso para implementação de tecnologias para suprir essa demanda vem a ser limitado.
Por outro lado, apesar das pesquisas evidenciando o aumento do uso da banda larga sem fio no Brasil, ainda temos dificuldade na universalização da mesma. Isso ocorre devido a uma parte significante do Brasil ser de baixa renda, o que impossibilita a contratação desses serviços, além de ainda não haver entrega desses serviços em determinados lugares, como é o caso de áreas rurais e remotas.
Em 2016, o IBGE através da Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios Contínua (Pnad C) realizou uma pesquisa a respeito do alcance da Internet no Brasil. Foi coletada a informação de que 64,7% (116 milhões) da população do Brasil estão conectadas à internet. Apesar de serem mais da metade da população com acesso à banda larga, temos também uma grande porcentagem de brasileiros que não possuem acesso, o que nos leva ao número de 63 milhões de brasileiros que não fazem uso da banda larga.
Dos principais motivos alegados pela população que não fez uso da banda larga em domicílios em 2016, a Tabela 1 [28] aponta alguns dos citados anteriormente
e que serão importantes para o desenvolvimento do tema abordado neste trabalho. Temos 29,6% das pessoas entrevistadas pela pesquisa que declarou não fazer uso da internet pelo serviço de acesso à internet ser custoso e 8,1% não ter o serviço disponibilizado na área de moradia.
Tabela 1: Pesquisa a respeito das razões da não utilização da internet em domicílio em 2016.
A necessidade de inovação é crescente, e o aumento da demanda, combinado à escassez do espectro e a não universalização da banda larga sem fio no Brasil, impulsionou estudiosos a encontrarem uma forma de sanar todos esses problemas. E assim começou o estudo da utilização de espaços brancos em faixas de frequências licenciadas pela Anatel na esperança de otimizarmos o uso dessas frequências através de outras tecnologias.
Logo, com o intuito de usar de forma eficiente o espectro e promover o estudo de novas tecnologias, os Rádios Cognitivos surgiram. O conceito do rádio cognitivo foi introduzido pela primeira vez por Joseph Mitola III em um seminário no KTH (Kungliga Tekniska högskolan), o instituto de Tecnologia de Estocolmo em 1998 e
De uma forma resumida podemos defini-lo dessa forma:
“O Rádio Cognitivo é um transmissor capaz de estudar as transmissões disponíveis no ambiente e ajustar a própria frequência de transmissão sem interferir nas demais. O Rádio Cognitivo é capaz de buscar as frequências disponíveis, tomar a decisão de qual faixa de frequências utilizar sem interferir nas que já estão sendo utilizadas”. [7]
Dessa forma, ele abriu caminho para várias pesquisas utilizando frequências dentro de faixa reservada para outros serviços, pois ele é capaz de estudar as frequências possíveis de utilização, levando em consideração os usuários primários. Uma das tecnologias desenvolvidas através desse mecanismo foi o WRAN - Wireless Regional Area Network, em português, Área Regional de Rede sem fio, tema que abordaremos aqui.
Por causa das características de propagação na faixa de espectro destinada à TV, com grande capacidade de penetração através do chão e parede, longo alcance e largura de banda flexível, pode ser usada para permitir uma nova classe de serviços e/ou aumentar a capacidade de serviços existentes [2]. A WRAN utiliza espaços em branco da faixa UHF, destinada à TV, através dos Rádios Cognitivos. Esses utilizam seu banco de dados para analisar a frequência disponível a ser utilizada na área que for alocado, e permite a utilização da frequência livre pelo IEEE 802.22, disponibilizando um serviço de acesso de dados em banda larga para uma área que pode alcançar em torno de 17 – 30 km.[11] Essa tecnologia é considerada popularmente como “Super Wi-Fi”, visto que por ser utilizada em uma faixa de frequência inferior, além de longas distâncias, ela ultrapassa paredes e obstáculos.
A implementação do WRAN traz consigo a possibilidade de diminuir a sobrecarga dos dados móveis, possibilitar o acesso à Internet em áreas rurais e remotas, servir de ferramenta para o Governo fornecer Wi-Fi para população de baixa renda, que é uma das principais razões pelo qual o Brasil ainda não foi capaz de universalizar o uso da internet.
No capítulo dois serão apresentados o conceito de TV White Space, o cenário em que ele foi proposto e pesquisas realizadas em Icaraí através de medições na faixa de TV para verificar a existência dos espaços em branco entre canais ativos na região, pelo aluno de mestrado do curso de Engenharia de Telecomunicações na UFF, Daniel Vidal. Além disso, serão apresentados os órgãos no mundo que possuem regulamentação para uso do TV White Space atualmente.
No capítulo três é apresentado os Rádios Cognitivos como um todo, desde onde começou, originando-se através dos Rádios Definidos por Software, até os Rádios Cognitivos como conhecemos hoje, capazes de detectar canais ociosos e operar sem causar interferência em usuários licenciados. Nesse capítulo é possível uma melhor análise do seu funcionamento através da descrição do ciclo de cognição dos Rádios Cognitivos, suas formas de acesso e arquitetura de rede.
No capítulo quatro é possível conhecer as tecnologias que serão ou já foram aprovadas pelo IEEE para operação na faixa de TV, utilizando os TV White Spaces.
Finalmente, o capítulo cinco nos traz informações a respeito do IEEE 802.22, o primeiro padrão WRAN a operar em faixas de TV. Nesse capítulo é apresentado o funcionamento da tecnologia através da análise de sua topologia de rede, área de cobertura, capacidade do sistema, camada de enlace e física, sensoriamento espectral e geolocalização, características principais da operação do padrão 802.22.
2. CONCEITO DE TV WHITE SPACE
No Brasil, a Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações - é a responsável pela regulamentação do espectro. Sendo assim, ela não só divide o espectro, destinando-os para fins específicos, como controla e parametriza seu uso.
No caso dos canais destinados a um determinado serviço, não é permitido o uso do espectro por nenhum outro serviço, sujeito a multa pela Anatel devido ao seu licenciamento ser exclusivo. A necessidade desse controle surge da otimização do uso do espectro, visto que são diversos serviços indispensáveis no mundo atual que dependemos no nosso dia-a-dia, que devem ser resguardados de mau funcionamento. Como é o caso das frequências destinadas à SAMU, telefonia móvel e navegação do transporte aéreo, pois o mal funcionamento desses serviços podem causar grande impacto na população e em alguns casos até mesmo ocasionar graves acidentes.
No caso da TV digital é utilizado o espectro UHF, que compreende à faixa de 470 - 700 MHz. Essa faixa é subdividida pela Anatel pelos canais de 14 ao 51 - apresentados na Tabela 2 - com exceção do canal 37, que é reservado para a radioastronomia. Os canais de 52 a 69, anteriormente utilizados pela transmissão da TV aberta, foram leiloados em 2013 para utilização do 4G. Nessa faixa de frequência, pela Resolução 583 da Anatel, temos o uso destinado exclusivamente desses canais para as transmissoras de TV, com suas regulamentações de uso.
Como forma de evitar a interferência entre canais no espectro destinado à TVD, são alocados espaços em branco entre eles, chamados de “Banda de Guarda”. Assim, é possível garantir a transmissão e recepção do sinal de forma eficiente, prevenindo a interferência de canais adjacentes entre os transmissores broadcast de alta potência.
Porém, foi percebido através de medições e análises espectrais ao longo dos anos, que a banda de TV está sendo subutilizada, possuindo espaços entre os canais ativos que não estão sendo aproveitados. Esse espaço entre canais ativos, corresponde ao que chamamos de “White Space” ou em português “Espaço em branco”. Isso ocorre de formas distintas de acordo com a localização geográfica. Em algumas regiões, os TVWS são mais notados devido à sua localização ser mais afastada, como em áreas rurais. Muitas vezes, um canal alocado à alguma
transmissora pode não estar ativo, ou até mesmo funcionar apenas em determinada hora do dia, o que ocasiona o White Space.
O aluno de mestrado do programa de pós-graduação em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, Daniel Vidal, realizou medições em Icaraí na faixa UHF da TV Digital na intenção de detectar as oportunidades do espectro nessa região. No todo foram coletados dados de 50 pontos de medição, localizados no bairro de Icaraí, uma região densa urbana, como apresentado na Figura 3 [29]. A figura 4 [29] apresenta a alocação de canais por frequência outorgado pela Anatel e a figura 5 [29] é uma medição realizada no ponto 9, que é ponto mais próximo do transmissor em relação aos outros pontos. Para realizar essa medição, foi utilizado como parâmetro um limiar de detecção para definir a ocupação de um canal de 6 MHz. Comparando os canais listados na ANATEL com os canais que foram medidos no ponto 9, conseguimos ver que os canais 14, 15, 33, 43, 48, 49, 50 estão licenciados para uso, mas não há recepção dos mesmos nesse ponto, produzindo um desperdício de 42 MHz de banda. Dessa forma, é gerado espaços em branco no espectro o que nos proporcionaria oportunidades de uso do mesmo. [13]
Figura 3: Mapa de medição em Icaraí.
Figura 5: Canais classificados como ocupados através de dados medidos e utilizando como critério o limiar de detecção, no ponto 9.
2.1. Regulamentação do TVWS no mundo
O TVWS possui características superiores de propagação devido à sua banda de espectro operar em Very High Frequency (VHF) e Ultra High Frequency (UHF). O que resulta em uma comunicação em maiores distâncias e melhor penetração em obstáculos. Para que equipamentos de White Space (White Space Devices - WSDs) utilizem o TVWS, eles não devem causar interferência excessiva em usuários primários, para isso algumas técnicas foram propostas com o intuito de proteger os usuários primários, como o sensoriamento de espectro e White Space Database (WSDB). Cada técnica possui seus prós e contras, não havendo uma determinação a respeito de qual técnica é a melhor proposta para determinar os canais de TVWS.
O Federal Communications Commision (FCC), orgão que regulamenta o uso do espectro nos Estados Unidos, conduziu os primeiros testes do TVWS em 2007, com o objetivo de descobrir a tecnologia que melhor se adeque ao TVWS. Foi
concluído que as abordagens que utilizavam o sensoriamento de espectro não alcançaram a precisão e a confiabilidade aceitáveis na detecção de UPs e a FCC posteriormente decidiu que tecnologias de sensoriamento de espectro naquele momento não eram confiáveis o suficiente para serem usadas como um meio para determinar TVWS vago. Em 2010, a FCC divulgou um documento legal determinando as regras para o uso do TVWS o qual já foi alterado e melhorado diversas vezes posteriormente com a inserção do WSDB como o método principal de detecção de TVWS.
Após os Estados Unidos ter iniciado a legalização do TVWS como meio de expandir e melhorar o uso do espectro, Singapura também finalizou sua regulamentação de TVWS em 2014. Além deles, outros países fizeram e fazem parte do grupo de países divulgaram seus projetos de normas ou marcos regulatórios para TVWS, legalizando a oportunidade de implementação de novas tecnologias, alguns desses são: Ofcom (Office of Communication) do Reino Unido, CEPT (Conferência Europeia das Administrações de Correios e Telecomunicações) da Europa, Canadá, Nova Zelândia, e outros. [14]
A seguir será apresentado um resumo das características definidas por cada agência para a regularização do uso do White space.
2.1.1 América do Norte
a) Estados Unidos da América – FCC
FCC divulgou um novo aviso de proposta de regulamentação para WSDs em 2014. Iremos abordar essas novas regras, porém elas estão sujeitas à alterações
A classificação dos WSDs pela FCC são consideradas em duas categorias possíveis: dispositivos fixos e portáteis. Os dispositivos fixos são definidos por sua localização ser fixa e capazes de operar em até 4W de potência isotrópica radiada equivalente (EIRP). Dispositivos fixos que usam potências menores são capazes de operar em locais mais próximos do contorno de proteção dos UP nas regras atuais. Os dispositivos fixos devem acessar o WSDBs ao menos uma vez a cada 20 minutos para determinar a disponibilidade da banda de TV.
Os dispositivos portáteis são definidos por operarem sem localização fixa e serem capazes de chegar até 100mW de potência, a menos que estejam operando dentro dos contornos de proteção de um canal de transmissão de TV adjacente que os limitará a 40mW. Esses dispositivos podem ser subdivididos em 3 categorias: Modo I, Modo II e apenas dispositivos de sensoriamento. A principal diferença entre a operabilidade dos dispositivos de Modo I e II é a capacidade de determinar canais disponíveis em sua localização. Dispositivos de Modo II são capazes, enquanto os de Modo I necessitam ser controlados por dispositivos fixos ou dispositivos de Modo II. No caso dos dispositivos pertencentes à categoria do Modo I, precisam receber sinais de dispositivos de Modo II, pelo menos uma vez por minuto, para continuidade da disponibilidade do canal. Já o dispositivo de Modo II precisam verificar sua localização a cada minuto para fazer a leitura de canais disponíveis se eles se moverem por mais de 100m. Dispositivos móveis/portáteis, assim como os fixos, devem acessar o WSDBs ao menos uma vez a cada 20 minutos para determinar a disponibilidade da banda de TV mesmo se não tiverem se movimentado além dos 100m.
Os dispositivos de sensoriamento são capazes de operar em até 50mW de potência, porém precisam ser capazes de detectar sinais de TV em -114dBm e sinais de microfone sem fio de -107 dBm a cada minuto.
Em 2010, a FCC determinou que apenas os dispositivos fixos, de Modo II e II necessitam acessar o WSDB para verificar a disponibilidade de canais sem a necessidade de sensoriamento de espectro. [14]
b) Canadá – Industry Canada
Industry Canada, órgão regulador Canadense, divulgou um documento de consulta sobre o enquadramento político e técnico para o uso de aplicações de espaço em branco para a banda de TV. Com o intuito de introduzir WSDs em banda de TV e modificar as regras para sistemas de banda-larga rurais licenciadas e sistemas de aparelhos de baixa potência, como o microfone sem fio. Assim, Industry Canada permitiu a operação do TVWS, finalizando o cenário de operação do mesmo e divulgando em 2012.
O Canadá irá desenvolver regras iniciais e regulamentos baseados em WSDBs. O método de sensoriamento de espectro só será considerado quando a tecnologia estiver melhor desenvolvida para operação. As classificações dos WSDs serão as mesmas utilizadas pelos EUA, com o intuito de harmonizar com os WSDs americanos. No entanto, Industry Canada terão suas próprias regras estabelecidas. [14]
2.1.2 Europa
a) Reino Unido – Ofcom
Após a troca da faixa de espectro anteriormente utilizada pela TV analógica e atualmente pela TV digital, grande parte do espectro foi liberado para novos serviços.
disponibilidade de espectro na banda de TV. A Ofcom divulgou um documento de consulta sobre o uso deste espectro livre em 2006 e emitiu uma declaração para permitir WSDs não licenciados para usar espectro intercalado em bandas de TV em 2007. Em 2009, foi divulgado a primeira declaração a respeito de parâmetros técnicos dos WSDs. Nessa declaração foi definido a operação dos WSDs através da disponibilidade do espectro por sensoriamento, e/ou WSDB, sendo esse o parâmetro mais importante de implementação no Reino Unido.
A classificação da Ofcom para os WSDs incluem duas principais categorias: dispositivos mestre e escravo. O WSD Mestre irá entrar em contato com o WSDB na procura por canais disponíveis, enquanto dispositivos escravos irão receber as informações relevantes de seu WSD Mestre sem que haja necessidade deles mesmos entrarem em contato com o WSDB diretamente. Os WSDs mestres devem acessar a lista de WSDB da Ofcom pelo menos uma vez em 24 horas e acessar a lista de um WSDB pelo menos uma vez a cada 2 horas. Se um WSD mestre sai de sua área válida, ele precisa voltar a acessar o WSDB. Um WSD escravo tem que parar a operação sempre que os WSDs mestres o solicitam ou se o WSD escravo não recebe uma resposta dos WSDs mestres dentro de 5 segundos. [14]
b) Europa – CEPT
Na Europa a formalização da utilização do TVWS de forma legal se deu início em 2011, através do Comitê de Comunicações Eletrônica (ECC) juntamente com a Conferência Europeia das Administrações de Correios e Telecomunicações (CEPT), onde foi divulgado um relatório sobre os requisitos técnicos e operacionais para um sistema de rádios cognitivos em TVWS. A CEPT também definiu que apenas o sensoriamento não era confiável o suficiente para garantir a proteção de co-canais
receptores de Televisão Digital Terrestre (“Digital Terrestrial Television” – DTT), utilizando assim os métodos de PMSE (Programme-making and special events) e WSDB sozinho ou combinado com o sensoriamento. O PMSE é uma licença utilizada para microfones sem fio, walkie-talkies e serviços de produção para rádio e TV. [16][14]
A arquitetura adotada pela CEPT é do tipo de arquitetura mestre-escravo similar a utilizada pela Ofcom no Reino Unido. Maiores detalhes da implementação do WSDB foi divulgada em 2013 pelo ECC. Nessa divulgação temos os principais temas abordados e detalhados: precisão de localização, operação mestre-escravo, gerenciamento do banco de dados, processo de translação em WSDB e combinação do sensoriamento com o WSDB.Também foi divulgado pela ECC outro relatório com os seguintes pontos: classificação dos WSDs, sensoriamento de espectro colaborativo, parâmetros de proteção do DTT, parâmetros de proteção do PMSE, proteção do sistema de serviço de rádio-navegação da aeronáutica, impacto da interferência do WSD em serviços operando em canais adjacentes e quantidade de espectros em potencial disponíveis para o uso os WSDs. [14]
2.1.3 Ásia Pacífico
a) Singapura – IDA:
Um programa piloto de “White Space” (Singapore white space pilot group – SWSPG), juntamente com o apoio do orgão regulador de Telecomunicações de Singapura o “Infocomm Development Authority” (IDA), foi estabelecido em 2012 em Singapura. Alguns membros desse grupo são: Microsoft, StarHub e Neul. Através desse programa, Singapura já conduziu vários projetos pilotos a respeito do TVWS, o que promoveu a cidade em uma zona de inovação e testes para o avanço nas
(Telecommunications Standards Advisory Committee). O regulamento de Singapura é compatível com os principais padrões de TVWS do mundo, como FCC, Ofcom e CEPT, mencionados anteriormente. Porém, por Singapura ser uma cidade pequena, tem alguns pontos do seu regulamento que se diferem aos demais, como por exemplo, uma única torre de TV poderia prover cobertura à cidade inteira e não há distâncias de separação definidas para co-canais e canais adjacentes. Outro ponto definido pelo órgão (IDA), é a potência limite para evitar a interferência no país vizinho, a Malásia, que é de -115 dBm nas fronteiras da cidade.
O regulamento de Singapura também introduz um tipo especial de canal chamado de High Priority Channel (HPC), ou, Canal de Alta Prioridade. Com ele, os WSDs podem possuir diferenciações no seu QoS (Quality of Service) até mesmo entre WSDs. Os detalhes de operação desse sistema está atualmente sendo investigado por operadores de WSDB juntamente com a IDA. [14]
b) Nova Zelândia – Radio Spectrum Management:
A “Gestão de Espectro de Rádio” da Nova Zelândia decidiu criar um regime de licenciamento provisório para permitir testes de WSDs na banda de TV UHF. Em 2014, foi lançado por eles um documento de consulta às regras de certificação e licenciamento dos dispositivos de TVWS.
Um regime definitivo, de longo prazo, só será investigado após o cenário internacional e regulamentos estiverem desenvolvidos. Sob o atual regime de licenciamento provisório, os WSDs devem seguir a FCC Parte 15, Subparte H ou a norma “ETSI EN 301 598 V1.1.1 ” publicado pela European Telecommunications Instituto de Padrões (ETSI). A proposta no documento de consulta divulgado é de que os WSDs sejam capazes de transmitir uma EIRP máxima de 10dBW. [14]
A seguir são apresentado as características dos regulamentos entre os países citados anteriormente de acordo com parâmetros como range de frequência em TVWS (Tabela 3 [14]), número de canais disponíveis (Tabela 4 [14]), a largura de banda de canais em TVWS (Tabela 5 [14]) e tipo de dispositivos (Tabela 6 [14]):
Tabela 3: Range de Frequência em TVWS em diferentes regulamentos.
Tabela 5: Largura de banda de canais em TVWS em diferentes regulamentos.
Tabela 6: Tipo de dispositivos em diferentes regulamentos.
No Brasil a legalização do uso do TVWS ainda está em fase de análise pela ANATEL, não tendo ainda a regulamentação do uso ou autorização do mesmo. A Agenda Regulatória da Anatel para o biênio 2019-2020 divulgado pelo órgão regulatório, que é um documento de planejamento que agrega as ações regulatórias consideradas prioritárias e que serão objeto de estudo ou tratamento da Agência durante sua vigência, apresenta o status do TVWS. O item 28 desse documento lista o tema a ser analisado nesse biênio de 2019-2010: Regulamentação para utilização do espectro ocioso (White Spaces) de forma dinâmica nas faixas de VHF e UHF, como visto na Tabela 7 [30]. Ou seja, ainda não avançamos em direção à expansão da
utilização do espectro de forma eficiente na faixa de TV, mas estamos caminhando para a nossa atualização tecnológica.
Como dito anteriormente, as divisões do espectro foram implementadas para a otimização do mesmo, porém essa subutilização do espectro gerado pela exclusividade das faixas de frequência geraram estudos para o melhor aproveitamento desses canais, algumas soluções foram pesquisadas através da utilização de Rádios Cognitivos.
3. RÁDIOS COGNITIVOS
O conceito de Rádios Cognitivos foi criado por Joseph Mitola, após introduzir os rádios definidos por Software em 1991, junto com Gerald Maguire, termo utilizado pela primeira vez em 1999 [3]. Segundo ele (Mitola, 2000b), o rádio definido por Software é o rádio cuja modulação de forma de onda do canal é definida em software, sem a necessidade de mudança do hardware.[13] Os Rádios Cognitivos foram apresentados por Mitola como um evolução do rádio definido por software, utilizando o conceito de cognição para propor uma nova classe de rádios, capazes de identificar canais ociosos e utilizá-los de forma oportunista.
Os Rádios Cognitivos surgiram como forma de aproveitar as oportunidades de espectro vindos do espaço branco entre canais, pois a escassez do espectro vem se agravando ano após ano e a necessidade de implantação de novas tecnologias são “sufocadas” pela ausência de frequência disponíveis. O uso de tecnologias inovadoras associadas ao Rádio Cognitivo pode contribuir para mitigar a escassez de espectro que se apresenta, a partir de seu uso mais eficiente.
Esse sistema funciona de forma inteligente, alocando um canal secundário em um espaço branco, que opera sem causar interferência em canais primários. Para que essa alocação seja possível, a tecnologia de CR (Cognitive Radio) faz uma leitura da faixa de frequência determinada, verificando no espectro canais livres para o uso, realiza o gerenciamento espectral, selecionando o canal mais apropriado para a transmissão, permite o compartilhamento do acesso ao canal com outros usuários e realiza o “handoff” com o canal primário quando esse é ativo , ou seja, migra para outro canal livre sem perder a comunicação. Dessa forma, é possível utilizá-lo sem a preocupação de gerar impacto em canais primários.
Existem diferentes tipos de capacidades cognitivas no qual um CR pode ser equipado. Um exemplo disso é a possibilidade do CR perceber o status ON/OFF do rádio primário, ou predizer o nível da potência de interferência que chega ao receptor primário [1]. A ITU define o Sistema de Rádio Cognitivo como um sistema de rádio que emprega tecnologia que permite ao sistema obter conhecimento de seu ambiente operacional e geográfico, políticas estabelecidas e seu estado interno; ajustar dinamicamente e autonomamente seus parâmetros e protocolos operacionais de acordo com o conhecimento obtido, a fim de alcançar objetivos pré-definidos; e aprender com os resultados atingidos. Essas capacidades cognitivas são gerenciadas de acordo com seu cenário implementado e sua decisão através desse conhecimento obtido pode ser complexo.
Um exemplo de modelo adotado pelo CR é o acesso oportunístico ao espectro, que é o que trataremos nesse trabalho. Nesse caso, como mencionado brevemente anteriormente, o usuário do CR utiliza o sensoriamento do espectro para detectar “buracos” no espectro, destinados para usuários primários licenciados pela Anatel porém inutilizados por um período de tempo ou em determinada localização. Após detectado um ou múltiplos “buracos” no espectro, o CR reconfigura os parâmetros de transmissão - frequência da portadora, largura de banda e modulação - para operar no espaço branco identificado no espectro [1]. Mitola apresenta o ciclo de cognição do Rádio Cognitivo, elaborado através de sua dissertação, como mostrado na Figura 6 [6].
Figura 6: Ciclo de Cognição. .
Nesse ciclo é possível observar o comportamento do rádio mediante à um ambiente externo, de forma que ele é capaz de observar, orientar, planejar, aprender e assim ser capaz de decidir de que forma agir de acordo com o contexto esperado.
2.1. Ciclo de Cognição
A palavra cognição veio do latim cognitione, que significa “aquisição de conhecimento através da percepção”. Esse conceito de aprendizado ou processo cognitivo é principalmente utilizado nas áreas de humanas e saúde, onde há um aprofundamento das pesquisas a respeito do funcionamento do nosso cérebro, como processamos as informações, como essas informações são captadas, armazenadas e utilizadas posteriormente. Esse mesmo conceito também é utilizado na área de ciências exatas e engenharias, onde há um aprofundamento das pesquisas na
inteligência cognitiva das máquinas, como elas absorvem o ambiente externo e respondem à ele através do aprendizado.
A cognição, tanto no contexto natural quanto no artificial, pode ser melhor representado na Figura 7.
Figura 7: Comparação do sistema cognitivo natural e artificial.
É possível perceber a semelhança entre os dois processos, onde no natural temos uma leitura dos processos da inteligência humana e no artificial temos uma releitura desses processos em máquinas, emulando a cognição realizadas pelos seres humanos.
O que o ciclo de cognição no contexto artificial apresenta, é a maneira como a máquina realiza os processos que nós - seres humanos - reproduzimos todos os dias de forma inteligente: observando, analisando, aprendendo, planejando, tomando
Parafraseando Mitola, o ciclo cognitivo “é definido como o ciclo de interação entre o rádio cognitivo e o ambiente em que ele se localiza. O rádio cognitivo continuamente observa, orienta a si próprio, cria plano, decide e atua no ambiente.”[6] Assim, é possível descrever cada etapa de forma desse ciclo de forma ampla:
a) Observa – na etapa observa, o rádio cognitivo, inserido em um ambiente
externo, se encontra em estado dormente. Essa fase é onde ele realiza o sensoriamento do espectro e faz a análise do espectro, ou seja, coleta informações espectrais do ambiente e as analisa. Por meio do sensoriamento espectral, o rádio é capaz de detectar sinais no canal de comunicação em tempo real e em um amplo espectro de frequências; [8] [9]
b) Orienta – etapa onde o rádio cognitivo se orienta mediante a leitura realizada
na primeira etapa do ambiente, essa orientação define o nível de prioridade pra mudar seu estado. Esses níveis podem ser definidos como urgente, imediato e normal;
c) Planeja – etapa planeja ocorre após a percepção do rádio ao ambiente, sendo
assim, se necessário uma melhoria no sinal, essa etapa pode planejar uma forma de ação pra mitigar a interferência do sinal através de uma nova forma de onda com uma taxa de bit maior de transferência, por exemplo. Ela basicamente planeja uma ação, quando necessário, após ter feito uma leitura do ambiente nas etapas anteriores e recebido uma orientação;
d) Decide – na etapa decide, o rádio toma a decisão se irá responder conforme o
planejado ou não. Decidindo por realizar a ação que foi planejada irá passar pra próxima etapa. Através de uma decisão espectral, por exemplo, ele pode escolher a porção de banda mais adequada no espectro para entrar em
operação, considerando seus requisitos de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) e suas características espectrais. [8]
e) Atua – finalmente, o rádio entra na etapa atua, onde irá agir da maneira que
foi planejada e decidida nas etapas anteriores.
Após passar pela última etapa, o rádio entrará novamente em estado dormente, até que ele detecte alguma alteração no ambiente que possa levar a necessidade do rádio cognitivo atuar no problema, recomeçando o ciclo.[9]
2.2. SDR – Software-Defined Radio
Um rádio definido por software, conhecido como SDR (Sofware-Defined Radio), é um rádio onde se faz possível a reconfiguração do mesmo através de algoritmos de processamento de sinal controlados por software, adaptando dinamicamente parâmetros de transmissão como modulação, banda de frequência e protocolos. Ou seja, a maior parte das funções desempenhadas em um equipamento de rádio convencional são realizadas no SDR por meio de um software.
Um exemplo e aplicação do SDR, seria em situações de resgate. Usando apenas um rádio, seria possível para a equipe de resgate entrar em contato com outras equipes (polícia, bombeiro, forças armadas, hospital, e etc) acessando múltiplos métodos de transmissão em diferentes faixas de frequência simplesmente trocando entre eles. Isso é possível mesmo que esses serviços usem diferentes técnicas de radiocomunicação.
Na Figura 8 [5] podemos ver a arquitetura tradicional de um rádio existente, esse opera de forma integral em Hardware, não podendo ter sua localização modificada ou seus parâmetros de transmissão reconfigurados dinamicamente.
Há mais de um nível de SDR possível, temos rádios que serão minimamente definidos por softwares e outros que serão quase que totalmente definidos por software. É o caso do rádio por software ideal, mostrado na Figura 9 [5], onde o limite entre elementos configuráveis e não configuráveis se encontra bem perto da antena.
Figura 9: Mesmo rádio da Figura 8, porém definido por software ideal. Figura 8: Arquitetura tradicional de rádio existente.
O SDR é uma parte fundamental para a implementação de Rádios Cognitivos, justamente por ser capaz de reconfigurar grande parte de seus elementos de transmissão, operando assim em faixas de frequências diversas, além de modulação e outros.
Algumas de suas funções que cooperam para o desenvolvimento dos Rádios Cognitivos são:
- Função Multibanda; - Padrão Múltiplo; - Múltiplos Serviços; - Acesso à Multi-canais.
2.3. Redes de Rádios Cognitivos
Hüseyin Arslan (ARSLAN, 2007) definiu a Rede de Rádio Cognitivo como: “... uma rede com um processo cognitivo que pode perceber as condições atuais da rede, e depois planejar, decidir e atuar sobre essas condições. A rede pode aprender com essas adaptações e usá-las para fazer decisões futuras, tudo levando em consideração a comunicação de ponta a ponta.”[10]
Essa definição muito se assemelha com a descrição que é utilizada para definir Rádios Cognitivos, exceto pelo aspecto que leva em consideração a comunicação de ponta-a-ponta. Sem a rede e o escopo de ponto-a-ponta, o sistema pode ser considerado apenas um rádio ou camada cognitiva, porém não uma rede cognitiva. Quando é mencionado o end-to-end, nos referimos aos elementos de rede envolvidos na transmissão de um fluxo de dados. Por exemplo, em uma transmissão
unicast, temos a utilização de elementos como subredes, roteadores, conexões virtuais e outros.
Logo, as Redes de Rádios Cognitivos (Cognitive Radio Network – CRN) são denominadas assim, pois são redes que fazem o uso do Rádio Cognitivo em sua implementação end-to-end. Essa rede pode ser implementada através da comunicação entre nós de rádios cognitivos ou entre um nó primário da rede e um nó de rádio cognitivo, além disso possuem características de ajustar seus parâmetros de transmissão para se adaptar às mudanças de topologia de rede, às mudanças de canal, às condições de funcionamento do sistema ou às necessidades do usuário.
Nesse ambiente pode haver dois tipos de redes que estabelecem comunicação simultaneamente, que vão depender do esquema de alocação do espectro de radiofrequências adotado para a faixa do espectro em análise, são essas: rede primária ou licenciada e rede secundária ou cognitiva. [8]
Uma Rede Primária é uma rede já existente e em operação no canal, onde há o direito de uso prioritário do canal. Na rede primária estão alocados os usuários licenciados, ou seja, usuários que operam em uma faixa do espectro com homologação de um órgão de fiscalização para operar e trafegar seus dados, também chamados de usuários primários (UP). Eles operam em uma banda de frequência determinada e em um espaço geográfico delimitado. Devido à sua prioridade de acesso referente ao espectro da frequência, as operações dos usuários primários não devem ser afetadas por usuários não licenciados, visto que é um recurso disponível aos usuários primários. Quem compõe esta rede, são as estações-base primárias e os usuários móveis. [9][8]
Uma Rede Secundária (rede de rádio cognitivo) é uma rede constituída de usuários que não possuem a autorização/licença para operar no canal de
comunicação, esses usuários são chamados de usuários secundários (US). A rede de usuários secundários, formado por nós inteligentes, monitoram uma determinada faixa de frequência no local onde ele se encontra e caso ache algum canal vago, acessa este de maneira oportunista. O acesso dinâmico ao espectro pode ser realizado de várias maneiras, uma delas é através de entidades gestoras de espectro ou “spectrum brokers”. Os “spectrum brokers” são entidades que agem distribuindo recursos de espectro de frequência através das diferentes Redes de Rádio Cognitivo. Esta rede é formada tanto por estação-base cognitiva quanto por usuários rádios cognitivos e ela pode operar tanto em bandas licenciadas quanto em bandas não licenciadas, aumentando a funcionalidade da rede. Os usuários secundários acessam a estação-base não licenciada diretamente, em um único salto, nesse caso a estação base deve possuir a capacidade de executar diversos protocolos e padrões de comunicação com o propósito de atender as inúmeras requisições dos usuários secundários. [8][9] A Figura 10 [11] exemplifica a coexistência de ambas as redes.
Uma rede de rádio cognitivo pode ser divididas em três formas de acesso ou, como são referenciados em inglês, paradigmas. Esses paradigmas são diferentes abordagens para a implementação de uma rede de rádio cognitivo onde o usuário secundário não interfere no usuário primário. São elas:
a) Interweave Networks: em português, redes de intercalação. São assim
chamadas pois utilizam o método de operar apenas quando há buracos no espectro. A existência desses buracos depende diretamente do tempo e da posição geográfica. Inicialmente, os rádios cognitivos foram criados para operar dessa forma, visto a subutilização do espectro se mostrar alarmante. Desse modo, só há a transmissão de dados pelo rádio, quando o espectro se encontra desocupado e quando há o início de uma transmissão primária ele para de operar, entrando em estado dormente. [11][12]
b) Underlay Networks: Nessa abordagem, os usuários secundários
transmitem simultaneamente com os usuários primários, mantendo a interferência suportável. Isso é possível se a interferência causada pelo usuário secundário no receptor primário for mantida abaixo do limiar (threshold). Essa interferência é medida através da potência do sinal, que lê o nível de interferência no receptor primário e esses dados coletados são utilizados para minimizar a interferência causada pelo usuário secundário. Para reduzir a interferência, algumas medidas podem ser tomadas, como US podem reduzir a potência de transmissão, cancelar interferência e implementar regiões não transmissoras (regiões de guarda) ao redor de receptores primários. Essas regiões podem ser registradas
através de informações prévias de localização de um controlador centralizado usando um banco de dados de geolocalização, GPS (Global Positioning System) ou sensor de sinais piloto originados dos nós de UP.[11][12]
c) Overlay Networks: esse modo também permite a transmissão simultânea
de usuário primários e secundários. No entanto, a diferença do overlay para o underlay é que os equipamentos do US devem ter conhecimento sobre a sequência de dados e métodos de codificação transmitidos pelo UP. Essa informação é utilizada de duas maneiras: cancelando a interferência dos UP nos receptores dos US, usando técnicas de cancelamento como “dirty paper coding”(DPC) que pré-codifica dados transmitidos para negar efeitos de interferência e pode ser usado pelos nós do US para cooperar com a rede primária através da retransmissão das mensagens de UP. [11][12]
4. TECNOLOGIAS QUE PODEM SER USADAS NO TVWS
Com a possibilidade de utilizar o TVWS para o advento de novas tecnologias, protocolos foram criados para a operação de canais não utilizados. Até aqui foram abordados os pontos principais a respeito do que é o TVWS e sua regulamentação em diversos países e a criação de rádios cognitivos para utilizaram esses espaços em branco de forma inteligente com o objetivo de otimizar o uso do espectro e abrir novas possibilidades de tecnologias que possam suprir a alta demanda de usuários. Para que rádios cognitivos possam entrar em operação, esses necessitam seguir um determinado protocolo para que a utilização dos WSs seja feita de forma ordenada e legalizada mediante seu propósito. Dessa forma, será abordado um resumo dos principais protocolos existentes que estão sendo ou já foram aprovados pelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) para a operação nos espaços em branco das faixas destinadas à TV Digital. A função dos protocolos é a de especificar o conjunto de métodos e tecnologias que irão possibilitar a operação nos WSs.
4.1. IEEE 802.11af
O protocolo IEEE 802.11af, informalmente conhecido como White-Fi ou mesmo Super Wi-Fi, é uma modificação do padrão IEEE 802.11, essa alteração possibilita o protocolo operar em White Space. O IEEE 802.11, do qual 802.11af foi derivado, estabelece um conjunto de especificações para operar em um sistema de comunicação sem fio em modo WLAN (Wireless Local Area Network, em português, Rede Local Sem Fio), sendo esses uma série de funcionalidades cognitivas , geolocalização e acesso a banco de dados.
Na arquitetura do padrão 802.11af, temos dois cenários possíveis, o cenário indoor que a cobertura pode vir a alcançar até 100m e o outdoor, com os pontos de
Os sistemas WLANs no protocolo 802.11 operam geralmente na faixa de GHz, podendo ser esses 2,4 GHz, 5GHz e 3,6 GHz, tendo assim suas camadas físicas e de enlace otimizadas para essas faixas de frequência. Com a migração da faixa de frequência para a banda de TV o protocolo 802.11af foi escrito, com o intuito de ser flexível o suficiente para acomodar essa faixa de frequência e atender às exigências de diferentes agências reguladoras em cada país.
Nesse protocolo, os pontos de acesso coletam informações de satélites, via GPS, a respeito de sua geolocalização a fim de enviá-la ao WSDB e obter a lista de canais de TV disponíveis para serem utilizados. O dispositivo é capaz de carregar essa lista de canais não ocupados em vários pontos selecionados na imediações em relação à sua posição atual. Através dos dados coletados da região de operação, o dispositivo estará apto para definir a frequência que ele irá operar. Essa lista de canais pode ser usada sem a necessidade de uma nova consulta a um banco de dados em um período de até 24h. Após finalizar o período de 24h uma nova consulta precisa ser feita. O ponto de acesso deve checar a sua posição a cada 60 segundos e se um novo local for detectado, fora dos limites que possui armazenamento de informações, o dispositivo necessita entrar em contato com o banco de dados para obter uma nova lista de canais desocupados válidos. [15]
4.2. IEEE 802.15.4m
O protocolo IEEE 802.15.4m é derivado do protocolo IEEE 802.15.4, que a princípio descreve as especificações para redes WPAN (Wireless Personal Area Network). O IEEE 802.15.4 se tornou popular para redes de sensores sem fio, identificação ativa por radiofreqüência, redes de área corporal, e rede de utilidade inteligente. O protocolo IEEE 802.15.4 foi modificado para 802.15.4m a fim de permitir
dispositivos de menor complexidade, baixas taxas de transmissão e consumo de energia. Aplicações possíveis para esse padrão é a Smart Grid, comunicação M2M (Machine to Machine) e eletrodomésticos inteligentes.
O 802.15.4m possui algumas características específicas como: capacidade de suportar taxas de dados que variam de 40 kbps até 2 Mbps; topologia de rede adotada mescla tecnologias peer-to-peer e mesh permitindo uma maior escalabilidade. [11][15]
4.3. IEEE 802.19.1
O protocolo 802.19.1 tem como objetivo a troca de informação entre sistemas de telecomunicações operando em redes locais e metropolitanas. Dessa forma, os sistemas baseados no IEEE 802 que utilizam o White Space podem coexistir, pois eles são capazes de compartilhar os espaços em branco do espectro eletromagnético de forma eficiente.
Esse padrão visa alcançar seu objetivo através de três pontos principais: (1) Descobrir diferentes sistemas de RC que precisam coexistir, (2) modificar os parâmetros dos diferentes sistemas de RC, de modo que o desempenho é melhorado e (3) fornecer uma interface unificada entre os dispositivos de RC usando diferentes tecnologias. O maior desafio desse protocolo é torná-lo capaz de se adaptar aos outros protocolos WS, elaborados ou já estabelecidos, para isso se faz necessário a participação e colaboração de grupos de trabalho com objetivos e interesses distintos. Essa dependência da participação de outros protocolos para tornar possível a operação do protocolo 802.19.1 poder ser um obstáculo nos desenvolvimento do mesmo.
4.4. IEEE DYSPAN SC P1900.7
Atualmente existem 7 padrões sendo desenvolvidos por diferentes grupos. O IEEE 1900.1 que abrange definições e explicações, o IEEE 1900.2 que provê recomendações práticas, o IEEE 1900.3 que fornece confiabilidade e avaliação de conformidade para sistemas de rádio com acesso dinâmico ao espectro, o IEEE 1900.4 que fornece informação para tomada de decisão por dispositivos para o melhor uso de recursos de rádio em redes heterogêneas, o IEEE 1900.5 que fornece política independente de fornecedor e sistema de requisitos para acesso dinâmico ao espectro, o IEEE 1900.6 que fornece as interfaces lógicas e estruturas de dados para transferir informações entre dispositivos sensores de espectro e seus clientes, e finalmente o IEEE 1900.7, que desenvolve um padrão definindo a interface de rádio na camada física e de enlace para comunicação através de um buraco no espectro (WS).
O início desse protocolo se deu através da criação do grupo de pesquisa IEEE P1900.7 para especificar as tecnologias de acesso dinâmico ao espectro eletromagnético voltado para os White Spaces na faixa de TV. Esse padrão é conhecido por suportar novas tecnologias, possuir técnicas de gerenciamento avançado do espectro e acesso dinâmico ao espectro, os quais incluem novas técnicas de gerenciamento de interferência, sensoriamento, gerenciamento de rede e coordenação de redes sem fio.
O objetivo desse protocolo é o de dar suporte para comunicações entre terminais fixos e móveis, evitando interferências prejudiciais aos usuários primários. [11][15]
4.5. IEEE 802.22
MHz (no Brasil compreende-se na faixa de 470 - 700 MHz), especialmente em áreas rurais, onde a cobertura do sinal de TV está fora do seu contorno protegido. [17]
O objetivo principal do desenvolvimento do protocolo 802.22 é fornecer acesso de banda larga sem fio em áreas rurais ou com baixa densidade populacional. Esse padrão utiliza mecanismos que permitem a usuários primários e secundários coexistirem na faixa de TV, de maneira que não haja interferência. [15]
Para que o padrão possa ser aplicado na prática, é necessário a utilização de rádios cognitivos como já apresentado nesse trabalho. A área de cobertura que o dispositivo pode alcançar gira em torno de 17-30 km, onde o alcance máximo permitido é de 100 km. [11]
A arquitetura utilizada para esse protocolo é de dispositivos que operam como estações base e terminais cliente, além disso podem suportar conexões do tipo ponto a ponto e ponto multiponto. A taxa de dados máxima é de 18 Mbps em canais com 6 MHz de largura de banda, a taxa mínima é de 1.5 Mbps para downlink e 384 kbps para uplink. O protocolo 802.22 permite maior flexibilidade e qualidade de serviço através de sua modulação adaptativa com base nas características do canal durante a transmissão da informação. [17][11][15]
Em sua camada de enlace, há funcionalidades cognitivas que auxiliam na administração da operação de usuários secundários perante os usuários primários, evitando assim uma operação que interfira no funcionamento de usuários primários. A camada física utiliza o acesso por multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) com 2048 portadoras. O uplink e o downlink são duplexados por divisão de tempo.[11][15]
5. WRAN – WIRELESS REGIONAL AREA NETWORK OU REDE REGIONAL SEM FIO
Na última década foi possível acompanhar a evolução da Internet, desde seu acesso à internet discada, onde poucos tinham acesso, até os dias de hoje, onde a internet se tornou acessível através de banda larga sem fio, como Wi-Fi e dados móveis. O cientista Albert Einstein antes mesmo do surgimento das redes wireless previu essa evolução através da frase:
"Um telégrafo sem fio não é difícil de entender. O telégrafo normal é como um gato muito longo. Você puxa o rabo em New York e ele mia em Los Angeles. A tecnologia sem fio é a mesma coisa, só que sem o gato".
Apesar da citação ser cômica, ela ilustra bem o conceito de redes sem fio, onde temos os dados trafegando através do ar até o seu dispositivo final. No Brasil, o Wi-Fi – conhecido como IEEE 802.11 - foi o primeiro serviço de banda larga sem fio. Esse padrão começou a ser definido pelo Instituto dos Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) em 1997, e desde então sofreu várias alterações até evoluir ao Wi-Fi como conhecemos hoje. O padrão Wi-Wi-Fi pelas suas características de operação pode ser utilizado para curtas distâncias de até 100 metros, que o classifica como um sistema de comunicação sem fio WLAN – Wireless Local Area Network, apenas, devido sua frequência de operação ser alta (em torno de 2.4 GHz).
Com a necessidade de prover dados em mobilidade, além do Wi-Fi, outras tecnologias wireless surgiram e foram classificadas de acordo com a sua área de cobertura. As características dos padrões para redes sem fio podem ser vistas na Figura 12 [31], os mesmos se dividindo através de suas classes de redes.
Figura 12: Subdivisão das classes e padrões das redes sem fio e suas características.
Nesse tópico, abordaremos sobre a tecnologia WRAN, padronizada através do protocolo 802.22. O IEEE 802.22 deu início em 2004 através do FCC que primeiro percebeu que os canais de TV não utilizados poderiam ser usados para acesso de banda larga. Essa descoberta despertou o interesse de muitos pesquisadores pela tecnologia de Rádios Cognitivos, o que posteriormente possibilitou a utilização desses dispositivos na operação em faixas de TV sem que houvesse interferência em usuários primários. Desde então, muitos órgãos regulatórios em todo o mundo têm desenvolvido tecnologias baseadas em RC e o IEEE 802.22 foi o primeiro padrão para WRAN operando em banda de TV. O protocolo foi divulgado em 2011 com o foco de alcançar áreas rurais e remotas. [20][19]
5.1. Topologia do sistema
Sua topologia é constituída de uma estação base e de um equipamento cliente (CPE – Customer Premise Equipment), sendo estes usuários localizados em uma célula. A comunicação ocorre de forma similar as redes de dados móveis, a estação base se conecta à rede principal e transmite dados através do downlink para vários CPEs, que respondem à estação base através do uplink. A estação rádio base (Base Station – BS) controla o meio de acesso na célula. É possível o uso de repetidores na implementação de uma rede. Em geral, a arquitetura do BS e dos CPEs funcionam com uma relação mestre-escravo entre eles. Isso significa que o CPE não pode transmitir nada se não receber a permissão da BS. Importante ressaltar que a estação base pode utilizar qualquer CPE para sensoriar o espectro e tomar decisões, visto que o sistema detecta o espectro de forma distribuída. [18][19]
A topologia utilizada em uma célula é chamada de estrela, porém a topologia onde possui diversas células é chamada de malha de estrelas. Na Figura 13 [18] é possível observar um exemplo de configuração de implantação no 802.22, onde possui uma estrutura celular, diversas BSs e CPEs e um satélite se comunicando com as estações bases.
5.2. Capacidade do Sistema
O 802.22 especifica a eficiência espectral do sistema em um range de 0.5 bit/s/Hz até 5 bit/s/Hz. Se considerarmos uma média de 3 bits/s/Hz, isso corresponderia à um total de 18 Mbps de taxa de dados de camada física em um canal de TV de 6 MHz. Para verificar uma taxa de dados mínima por CPE um total de 12 usuários simultâneos foram considerados, o que nos leva a um pico mínimo exigido de dados de throughput na borda da célula de 1.5 Mbps por CPE de downlink. Em uplink um pico de throughput de 384 kbps é verificado. [18]. Na Tabela 8 [19] temos esses parâmetros especificados.
Tabela 8: Especificações de parâmetros do 802.22.
5.2. Área de Cobertura
Outro ponto importante da 802.22 é sua área de cobertura, que pode chegar até 100 km dependendo de sua potência. Atualmente a faixa de cobertura especificada é de 33 km com a EIRP da CPE operando em 4 W. Como visto na Figura 12, o padrão da WRAN possui a maior área de cobertura até então protocolada em relação às redes atuais existentes, isso ocorre devido sua alta potência de operação e características de propagação favoráveis da banda de frequência de TV. [18]
5.3. Camada Física (PHY)
O padrão 802.22 especifica a operação da camada física e a camada de enlace de uma forma um pouco diferente aos outros padrões de redes sem fio, pelo fato que estas redes usam a transmissão oportunística do espectro, sem interferências à usuários primários.
No caso da camada física, é necessário oferecer uma alto desempenho, mantendo a complexidade do sistema baixa. A camada precisa localizar as frequências disponíveis de maneira eficiente para oferecer uma performance, cobertura e taxa de dados adequados que estejam dentro dos requisitos exigidos pelo
sistema. Além disso, as aplicações WRAN exigem flexibilidade no downlink com suporte para vários usuários, e taxas variáveis.
O 802.22 é baseado em OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para downlink e uplink, com algumas melhoras tecnológicas como o “channel bonding”, em português, agregação de canais. O OFDM é uma técnica de transmissão de dados que divide sua banda em múltiplas portadoras, que são chamadas que subportadoras, para modulação. A subportadoras são ortogonais pois não possuem sobreposição de frequência, logo não interferem umas com as outras, como poder ser observado na Figura 14. [21] [22]
Figura 14: Modulação OFDMA utilizada na WRAN.
Outra característica na camada física da WRAN é a otimização da mesma para longos atrasos de propagação da informação que podem ser de 25 μs até 50 μs em grandes terrenos ou áreas metropolitanas. Para isso, é utilizado um prefixo cíclico na ordem de 40 μs, a fim de não haver perda da informação por causa do atraso. O prefixo cíclico nada mais é do que a cópia da última parte dos símbolos a serem enviados, adicionados no início para evitar a interferência intersimbólica, como pode ser analisado na Figura 15 [23].
Figura 15: Prefixo Cíclico.
Uma estação base deve ser capaz de ajustar dinamicamente a largura de banda, modulação e codificação, pelo menos, por CPE. O OFDMA é perfeito para atingir a essas metas, pois permite a alocação eficiente de subportadoras que se adequem aos requisitos das CPEs. Os esquemas de modulação que podem ser utilizados são QPSK, 16-QAM, 64-QAM com esquema de código de convolução de taxa de 1/2, 3/4, 2/3. Assim, alcançamos uma taxa de dados a partir de alguns kbps por subcanal até 18 Mbps por canal de TV, oferecendo flexibilidade suficiente.
Foi verificado que usando apenas 1 canal de TV por transmissão seria difícil cumprir o requisito de 18 Mbps em 30 km. Porém, com o uso da estratégia de “channel bonding”, em agregar canais contíguos, seria possível alcançar este requisito. Há dois esquemas de “channel bonding” possíveis, unir canais contíguos ou canais não-contíguos. O espaçamento mínimo do canal de TV necessário para o dispositivo WRAN operar é de 3 canais de TV, a fim de aumentar a capacidade do sistema. Com base nisso, a largura de banda RF é limitada a apenas 3 canais contíguos. Para canais de TV de 6 MHz, isso implica em uma largura de banda de RF de 18 MHz. Na Figura 16 [18] é possível analisar esse esquema na operação da WRAN.
O sistema geralmente é baseado em uma FFT (Fast Fourier Transform – Transformada Rápida de Fourier) de 6k pontos para três canais de TV. Quando
sendo que 1,7k subportadoras são ativas, e o restante são portadoras virtuais com valor nulo. O mesmo se aplica para dois canais, onde 3,4k portadoras estarão ativas, enquanto que as outras também serão zeradas. Quando um dispositivo está começando a sincronizar, ele não conhece a priori os canais que estão agregados. Para facilitar a sincronização inicial, definimos a estrutura do superquadro que será discutido na próxima seção.
Figura 16: Diagrama simplificado do esquema de channel bonding para WRAN. Primeira com utilização de 1 canal, segunda com 2 canais e terceira com 3 canais.
5.4. Camada de Enlace (MAC)
A camada de enlace para Rádios Cognitivos precisa ser altamente dinâmica para que possa responder rapidamente as mudanças no ambiente de operação. Além de desenvolver o papel tradicional dos serviços de MAC, a camada de enlace do padrão
